- •Лекція 1. Окновні поняття теорії систем і моделювання
- •2.2 Технологічний регламент і матеріальний баланс
- •2.3 Розрахунок матеріальних балансів лінійних процесів
- •2.4 Спрощений спосіб розрахунків лінійних балансів
- •2.5. Укладання матеріальних балансів для процесів з рециклами
- •Лекція 14. Основи хімічної кінетики Мета лекції
- •Зміст лекції
- •14.1 Поняття динамічної моделі. Мікро і макрокінетика
- •14.2 Швидкість хімічної реакції
- •14.3 Моделювання мікрокінетики хімічних реакцій. Пряма й зворотна задача
- •14.4 Метод а.А.Баландіна
- •14.5 Інтегральний метод встановлення порядку реакцій
- •Контрольні запитання
- •Завдання для самостійної роботи
- •Перелік рекомендованої літератури
Лекція 1. Окновні поняття теорії систем і моделювання
ЛЕКЦІЯ 2. ОСОБЛИВОСТІ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ
ЛЕКЦІЯ 3. МАТЕМАТИЧНИЙ АПАРАТ МОДЕЛЮВАННЯ ХТП І ЕГО РЕАЛІЗАЦІЯ
ЛЕКЦІЯ 4. МАТЕРІАЛЬНИЙ БАЛАНС ПРОЦЕСІВ
Мета лекції
1 Ознайомитися з кількісними характеристиками перебігу хімічних реакцій і процесів.
2 Ознайомитися з сучасними метод комп’ютерних розрахунків матеріальних балансів і оформленням їх результатів
Зміст лекції
2.1 Особливості реальних хімічних реакцій і виробничих процесів
2.2 Технологічний регламент і матеріальний баланс
2.3 Розрахунок матеріальних балансів лінійних процесів
2.4 Спрощений спосіб розрахунків лінійних балансів
2.5. Укладання матеріальних балансів для процесів з рециклами
Контрольні запитання
Перелік рекомендованої літератури
Матеріал лекції
2.1 Особливості реальних хімічних реакцій і виробничих процесів
У багатьох випадках рівняння хімічних реакцій лише принципово виражають перебіг процесів. Вони не перебігають до кінця, і для розрахунків за допомогою рівнянь необхідно введення додаткових кількісних характеристик. Причинами неповного перебігу можуть бути:
- встановлення в системі хімічної рівноваги;
- перебіг побічних процесів за участю одного з реагентів;
- припинення процесів до досягнення повного перетворення, наприклад, внаслідок повільного перебігу на кінцевої дільниці.
Для характеристики перебігу хімічних реакцій при їх неповному перебігу на практиці використовують наступні показники:
- ступінь перетворення (конверсія) вхідних речовин;
- вихідпродукту.
Ступінь перетворення (конверсії)є безрозмірною величиною, що характеризує частку вхідних речовин, що увійшли у реакцію. Якщо співвідношення кількостей реагентів відрізняється від стехіометричного, ступінь перетворення розраховується по речовині, кількість якої є найменшою за стехіометрією. Ступінь перетворення розраховують по формулі:
, (2.1)
де М0– початкова кількість реагенту, по якому розраховують ступінь перетворення;
М – поточна кількість реагенту у масі під час відбору проби.
Приклад 4.1.
В реакцію:
CH3OH + C2H5COOH = C2H5COOCH3+ H2O (2.2)
уведено:
- метанолу (CH3OH, М = 32 г/моль) – 5 г;
- пропіонової кислоти (C2H5COOH, М = 74 г/моль) – 6 г.
Після проведення реакції залишилось 2,66 г метанолу і 0,6 г пропіонової кислоти. Визначити, за якою речовиною слід розраховувати ступінь конверсії ї розрахувати її.
Розв’язання:
а) розрахуємо кількість молів реагентів, що уведені до реакції:
- метанол: моль;
- пропіонова кислота: моль;
б) співвідношення реагентів, що вступають до реакції у відповідності до рівняння (1.42) складає 1:1. У реакцію введено співвідношення 0,156:0,081 = 1,98:1, що відрізняється від стехіометричного. Метанол знаходиться у надлишку, тому ступінь конверсії слід розраховувати по пропіонової кислоті, якої не вистачає до стехіометричної кількості;
в) ступінь перетворення (конверсії) у відповідності з формулою (2.1), складає:
Вихід є безрозмірною величиною, що характеризує частку продуктів реакції, що створилися у порівнянні з тим, що випливає з рівняння хімічної реакції. Він розраховується по формулі:
, (2.3)
где М – кількість продукту, що одержано у процесі на практиці (г, кг, моль);
Мтеор.– теоретична кількість продукту, що може бути отримана, виходячи з рівняння реакції.
Величина Мтеор. може бути розрахована двома способами:
в розрахунку на повну кількість вхідних речовин, що уводяться в реакцію;
в розрахунку на кількість вхідних речовин з врахуванням конверсії. В останньому випадку вказують, що вихід розрахований у розрахунку на речовини, що прореагували.
Приклад 4.2.
Взаємодія хлору з бензолом перебігає у відповідності з рівняннями:
С6Н6+ Cl2= C6H5Cl + HCl, (2.4)
С6Н6+ 2 Cl2= C6H5Cl2+ 2HCl. (2.5)
У реакцію уведено суміш з мольним співвідношенням бензол (С6Н6) : хлор = 1 : 1. Після повного витрачення хлору одержана суміш речовин, що містить:
- бензол: 10 % мольн.;
- хлорбензол (C6H5Cl): 80 % мольн.
- діхлорбензоли (C6H5Cl2): 10 % мольн. Визначити ступінь конверсії бензолу і вихід по хлорбензолу і діхлорбензолам. Втратами речовин у процесі взаємодії зневажити.
Розв’язання:
а) розрахуємо склад суміші продуктів. Якщо обрати 1 моль суміші, то вона буде містити, у відповідності зі складом, :
- бензолу: 0,1 моль;
- хлорбензолу: 0,8 моль;
- діхлорбензолів: 0,1 моль.
б) оскільки усі ці продукти отримані з бензолу, то кількість бензолу, що уведена у реакцію, буде дорівнювати сумарній кількості молів продуктів, що призведені з бензолу, тобто, 1 моль. Звідси, за визначенням, конверсія бензолу складає:
в) обчислимо виходи у розрахунку на повну кількість бензолу. У цьому випадку теоретична кількість хлорбензолу і діхлорбензолів, у відповідності до рівнянь (1.44) і (1.45) складе 1 моль з 1 моль бензолу. Звідси виходи складуть:
- по хлорбензолу: 0,8/1 = 0,8 = 80 %;
- по діхлорбензолам: 0,1/1 = 0,1 = 10 %;
г) обчислимо виходи у розрахунку на бензол, що увійшов у реакцію. Конверсія бензолу 90%, тобто, кількість бензолу, що увійшла у реакції, складає 0,9 моль. Звідси виходи:
- по хлорбензолу: 0,8/0,9 = 0,889 = 88,9%;
- по діхлорбензолам: 0,1/0,1 = 0,111 = 11,1 %
Якщо в хімічної реакції не відбувається змін об’єму– за основу для розрахунків конверсії можна обирати концентрації вхідних речовин (в кг/м3або кмоль/м3). Якщо в реакціїне відбувається виділення газоподібних продуктів, вихід можна розраховувати по масової концентрації в %. Виділення газоподібних продуктів у цьому випадку зменшує загальну масу і дає завищені результати.
На практиці для фіксації мас реагентів, складу кінцевої маси і розрахунків виходів і конверсії складається таблиця завантажень. Така таблиця складається для кожного лабораторного експерименту і фіксується в лабораторному журналі. У виробництві такі таблиці входять до складу операційних листків, де фіксуються всі особливості проведення технологічного процесу (його ведуть апаратники) і у операційному журналі, який веде майстер або технолог цеху.
Структура таблиці завантажень наведена у табл. 4.1
Таблиця 2.1 – Структура таблиці завантажень
Найменування продуктів, що завантажені |
Мол маса
|
Мас. Частка, % |
Маса, кг (г) |
Кмоль (моль)
|
Густи-на, кг/м3 |
Об’єм, м3 (см3) | |
Техн. |
100 % | ||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Зміст граф:
а) в графу 1 поміщають:
- назву кожного продукту, що завантажується (технічного продукту),
- назви кожного з компонентів(у тому числі – домішок), що входять до його складу
б) в графу 2 поміщають молярні маси(г/моль) кожного зкомпонентів кожного з продуктів, що завантажується (крім домішок);
в) в графу 3 поміщають масові долікожного зкомпонентіву складі кожного технічного продукту;
г) в графу 4 поміщають масу кожного технічного продукту
д) в графу 5 поміщають масу кожного компонента кожного технічного продукту(100 % речовини, що реагує);
е) в графу 6 поміщають кількість молів кожного компонента кожного технічного продукту (крім домішок);
д) в графу 7 поміщають густину кожного рідкого технічного продукту(її визначають експериментально, або розраховують, спираючись на довідникові дані);
е) в графу 8 поміщають об’єм кожного рідкого технічного продукту.
На базі такої таблиці становляться прозорими кількості усіх компонентів та співвідношення між ними і легко розраховуються вихід і конверсія, виходячи з експериментальних даних по результатам операцій.
Приклад 2.3
В реактор синтезу 2-нітроанізолу було завантажено:
- метанолу (вміст основної речовини: 99%, води: 1 %) - 2000 кг;
- їдкого натру (NaOH) – 480 кг 53 % водного розчину;
- 2-нітрохлорбензолу (2-НХБ, С6H4ClNO2, М = 157,5 г/моль, вміст основної речовини 99%, домішок 1 %) – 630 кг.
При нагріві перебігає реакція:
C6H4ClNO2+ NaOH + CH3OH = C6H4(NO2)(OCH3) + NaCl + H2O. (2.6)
Після завершення процесу вміст 2-нітроанізолу (C6H4(NO2)(OCH3), М = 153 г/моль) у кінцевої масі склав 17,8 % . Скласти таблицю завантажень і визначити вихід з 2-нітроанізолу.
Розв’язання:
а) оскільки серед продуктів реакції немає газоподібних речовин, то маса продуктів, що одержані наприкінці процесу, дорівнює початковій масі:
М0= 2000+480+630 = 3110 кг;
б) розраховуємо масу 100%-го 2-нітрохлорбензолу, оскільки він самий буде реагувати:
M2-НХБ= 6300,99 = 623,7 кг;
в) розраховуємо масу 100%-го NaOH: M=48053/100 = 254,4 кг; по залишку – розраховуємо кількість води
г) розраховуємо кількість молів і об’єми кожної з рідких речовин
Результати розрахунків вносимо у таблицю завантажень (табл. 1.6). З неї випливає, що найменша кількість у порівнянні зі стехіометрією спостерігається у 2-НХБ;
д) розраховуємо кількість 2-нітроанізолу в масі в кг і молях:
вихід 2-нітроанізолу по 2-НХБ:
Таблиця 2.2– Таблиця завантажень на операцію синтезу